Yüksek Güçlü Yarım iletkenli Lazerlerin Isı Yönetimi Zorlukları ve SiC Isı Alıcılarının Temel Rekabetliliği

Yüksek güçlü yarı iletken lazerler endüstriyel üretim, savunma ve askeri sistemler, biyomedikal uygulamalar ve bilimsel araştırmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.cihazların ambalajlanmasından sonra termal yönetim, uzun süredir performanslarını ve güvenilirliklerini sınırlayan kritik bir engeldir.Bu zorluğun üstesinden gelmek, yüksek sıcaklık çalışma koşullarında üstün ısı dağılım kapasitesi ve daha büyük termal istikrar sunan ısı alıcı malzemelerin entegrasyonuna bağlıdır.

Temel RekabetSilikon Karbid (SiC)Sıcaklık Alıcıları

Sıcaklık aktarımının birincil taşıyıcısı olarak, bir ısı alayıcısının performansı doğrudan termal yönetimin etkinliğini belirler.Geleneksel çözümlerin teknik sınırlamaları giderek daha belirgin hale geliyor.

Bakır ve alüminyum gibi metal ısı alıcıları maliyet açısından verimli olsa da, GaN ve InP gibi yaygın lazer kazanç ortamlarıyla ciddi bir termal genişleme uyumsuzluğundan muzdariplerdir.Sıcaklık döngüsü sırasında yoğun bir ısı stresine yol açanAlüminyum nitrit (AlN) seramik ısı sinkleri, yüzeysel termal direnci kontrol etmek ve yapısal istikrarı korumak konusunda zorluklarla karşı karşıyadır.Kilowatt seviyesinde ve yukarıdaki lazer sistemleri için yetersiz hale getirirKimyasal buhar birikimi (CVD) elması olağanüstü ısı iletkenliği sunsa da,Çok yüksek üretim maliyeti ve 3 inçten büyük olan waferler için kusur kontrolünde devam eden zorluk, geniş ölçekte benimsenmesini sınırlıyor.

Buna karşılık, silikon karbid (SiC) ısı alıcıları açık kapsamlı avantajlar göstermektedir.

1Mükemmel Termal Parametreler Eşleşme ve Dengeli Performans

SiC, olağanüstü bir termal performans dengesi gösterir. Oda sıcaklığında ısı iletkenliği 360 ̊490 W·m−1 ̊K−1'e, bakır (397 W·m−1 ̊K−1) ve 1.66 ̊2 ile karşılaştırılabilir.Alüminyumdan 26 kat daha yüksek (217 W·m−1·K−1), yüksek güçlü lazer sistemlerinde verimli ısı dağılımı için sağlam bir temel sağlar.

Termal genişleme açısından, SiC'nin 3.8 ∼4.3 × 10−6 K−1 katsayısı vardır.5 × 10−6 K−1) ve alüminyum (23.1 × 10−6 K−1), interfacial termal stresini etkili bir şekilde azaltır.

CVD elmas ve AlN ile karşılaştırıldığında, SiC'nin performans dengesi daha da belirgindir.Sıcaklık genişleme katsayısı (1.0 × 10−6 K−1), Yb:YAG (6.8 × 10−6 K−1) gibi kazanç ortamlarıyla ciddi bir şekilde uyumsuz.5 × 10−6 K−1) ancak ısı iletkenliği (180 W·m−1·K−1) sadece 4H-SiC'nin yaklaşık% 45'idir, ısı dağılımı verimliliğini önemli ölçüde sınırlıyor.

Bu eşsiz kombinasyonYüksek termal iletkenlik ve mükemmel termal genişleme eşleşmesiSiC'yi iyi dengelenmiş termal performansına sahip en iyi malzeme olarak konumlandırır.

2Sağlam Çevre Uyumluluk ve Yüksek İşletim Durağı

SiC, mükemmel bir oksidasyon direnci, radyasyona dayanıklılık ve 9'a kadar Mohs sertliği gösterir.2Bu özellikler, yüksek sıcaklıklar ve yoğun radyasyon içeren sert çalışma ortamlarına dayanmasını sağlar.Yüksek güçlü lazer sistemlerinin uzun vadeli istikrarlı çalışmasını desteklemek ve bakım maliyetlerini azaltmak.

Buna kıyasla, geleneksel metal ısı alıcılarının açık eksiklikleri vardır.yüzeyin termal direncinin zamanla artmasına neden olan ve ısı dağılımı performansının kademeli olarak bozulmasına neden olanAlüminyum ise yetersiz mekanik dayanıklılıktan muzdarip olup, sadece 20-35 HB'lik bir Brinell sertliği ile montaj ve kullanım sırasında deformasyon geçirmektedir.

3Mükemmel Bağlantı Uyumluluğu ve Düşük Mühendislik Engelleri

SiC, metalize yapıştırma, doğrudan yapıştırma ve eutektik yapıştırma dahil olmak üzere çeşitli yapıştırma teknolojileri ile oldukça uyumludur.GaN ve InP gibi bileşik yarı iletkenlerle düşük arayüz termal dirençli entegrasyon sağlayanBu çok yönlülük, heterojen entegrasyon çözümleri için geniş tasarım esnekliği sağlar.

Dahası, SiC bağlama süreçlerinin olgunluğu, mühendislik uygulamasına yönelik engelleri önemli ölçüde azaltır, mevcut yarı iletken üretim hatlarıyla uyumluluğu sağlar.ve laboratuvar araştırmalarından pratik uygulamalara geçişi hızlandırır.

Bu avantajlar nedeniyle, SiC, yüksek güçlü lazerler için tercih edilen ısı sink malzemesi haline geldi ve yarı iletken lazerlerde (LD), ince disk lazerlerinde (TDL),ve dikey boşluklu yüzey yayıcı lazerler (VCSEL).

SiC ısı alıcılarının hazırlama yöntemleri ve uygulama özel uyarlama

Geniş bant aralığı yarı iletken olarak, SiC, 3C-SiC, 4H-SiC ve 6H-SiC de dahil olmak üzere birden fazla politipte bulunur.Hazırlama yöntemleri ve malzeme özelliklerindeki farklılıklar, uygulama özel ısı alıcı optimizasyonu için bir temel sağlar.

(1) Fiziksel Buhar Taşımacılığı (PVT)

2000 °C'den yüksek sıcaklıklarda hazırlanan, 300 ̊490 W·m−1·K−1 ısı iletkenliği ile 4H-SiC ve 6H-SiC üreten bu malzemeler yüksek ısı iletkenliği ve mekanik dayanıklılık sunar.Yüksek güçlü lazer cihazları için uygun hale getirerek, katı yapısal istikrar gereksinimleri.

(2) Sıvı Faz Epitaksi (LPE)

3C-SiC ve 4H-SiC politipleri üzerinde hassas bir kontrol sağlayan nispeten ılımlı sıcaklıklarda (1450 ~ 1700 ° C) yürütülür.LPE-SiC, yüksek güç gerektiren yüksek kaliteli lazer cihazlarında özellikle faydalıdır, uzun ömürlü ve katı kristal tutarlılığı.

(3) Kimyasal Buhar Depozisyonu (CVD)

Yüksek saflıkta 4H-SiC ve 6H-SiC üretir ve ısı iletkenliği 350~500 W·m−1·K−1'dir. Yüksek ısı iletkenliği verimli ısı çekimini sağlar.Mükemmel boyutsal istikrar, ısı kaldırıldıktan sonra deformasyonu önlerkenBu özelliklerin kombinasyonu, aşırı koşullar altında uzun süreli istikrarlı çalışma için gereklidir ve CVD-SiC'yi performans ve güvenilirliği dengeleyen tercih edilen bir çözüm haline getirir.

Özet

Üstün termal parametre eşleşmesi, güçlü çevresel uyarlanabilirliği ve mükemmel süreç uyumluluğu ile SiC, yüksek güçlü lazer sistemleri için ideal bir ısı alıcı malzeme olarak ortaya çıktı.Heterogen bağlanmış cihazlarda, çeşitli SiC politiplerinin ve kristal yönelimlerinin farklılaşmış termal genişleme özelliklerinden yararlanarak, en iyi arayüz eşleşmesini ve en yüksek ısı dağılım performansını sağlar.